柠檬苦素类化合物生物活性研究进展

张文琦 纪宏秀 吴 倩 王 猛 魏德莉

（1聊城大学生命科学学院，山东聊城 252059；2聊城市人民医院，山东聊城 252200）

柠檬苦素类化合物是一类具有呋喃环并且高度氧化的四环三萜类化合物，具有中等极性，不溶于水和乙烷，溶于烃类、醇和酮。柠檬苦素类化合物具有多种生理活性，如抗癌、抗菌、抗炎、抗病毒和抗氧化等，体外研究发现其还具有显著的抗虫活性[1]。目前已经鉴定出的柠檬苦素类化合物大约有2 700种。就基本碳骨架结构而言，柠檬苦素类化合物是由具有环戊烷多氢菲骨架（A/B/C/D 四环）的apotirucallane 或apoeuphane 三萜类化合物侧链失去4 个末端碳而形成的，因而也称为四降三萜类化合物[2]，具体结构骨架详见图1。在实践中，环戊烷多氢菲骨架可以被氧化断裂而发生多种形式的重排，使得柠檬苦素类化学物的种类极为丰富和多样。目前，公认的分类标准根据环戊烷多氢菲骨架四环的特征，把柠檬苦素类化合物分为环完整型、开环型和重排型三类，其中以重组型的占比最大[1]。随着研究的不断深入，一些新的柠檬苦素类化合物被合成和鉴定出来，且诞生了许多新的骨架结构。

1 柠檬苦素类化合物的抗肿瘤活性

目前已经发现多种柠檬苦素类化学物，如柠檬苦素、黄柏酮、异巴豆酸、柠檬酸和诺米林等均具有抑制癌细胞增殖或抗肿瘤活性作用。生物活性测试结果表明该化合物对结直肠癌、肝癌、胃癌、乳腺癌、卵巢瘤、黑色素瘤和神经母细胞瘤等多种癌细胞具有显著的抑制活性。

1.1 抗结直肠癌

柠檬苦素类化合物能显著抑制结直肠细胞的生长及增殖。研究表明，从大叶甜菊（Swieteniamacrophylla）中分离的柠檬苦素L1（Limonoid L1）、Swietenolide 对HCT116 结肠癌细胞[2-4]，以及从柑橘类水果中提取的柠檬苦素类物质对Caco-2 结肠癌细胞[5]均有增殖抑制作用。进一步研究发现，来自印楝（Azadirachta indica）的印楝素内酯（Nimbolide）可以通过抑制NF-κB 及相关促肿瘤蛋白调节促炎微环境来抑制结直肠癌的发生和发展[6]。在慢性炎症诱导的小鼠试验中，黄柏酮（Obacunone）可以通过减少炎症信号来降低结直肠癌的发生[7]。癌症的发生与炎症密切关联，此类研究证明了柠檬苦素类化合物可以通过调节炎症反应来抑制结直肠的发生和发展。此外，柠檬苦素类化合物还可以通过生成活性氧（ROS）介导线粒体功能紊乱[8]或调节细胞周期诱导结直肠癌细胞的凋亡[9]，还有研究指出柠檬苦素类化合物可以通过调节β-catenin 信号通路抑制T细胞因子/淋巴增强因子达到抗肠癌的作用[10]。

除了直接抑制结直肠癌肿瘤细胞的增殖，柠檬苦素类物质也可以对一些致癌物诱导的肿瘤发生起到抑制作用。研究发现，在大鼠饮食中添加一定量的黄柏酮（Obacunone）或者柠檬苦素（Limonin），可显著降低由氧化偶氮甲烷（Azoxymethane，AOM）诱导的结肠腺癌发病率[11-12]，表现出一定的保护作用。

1.2 抗肝癌

肝癌细胞对药物具有极强的耐药性，是临床中治疗肝癌的难题。柠檬苦素类化合物在保肝护肝、抑制肝癌细胞增殖方面均有一定的作用。例如，柠檬苦素类化合物可以通过调控ROS/p53信号通路引起肝癌细胞G2/M 期阻滞，从而诱导线粒体和溶酶体凋亡[13]，还可以通过影响NF-κB信号通路诱导肝癌细胞凋亡[14]。在保肝方面，柠檬苦素可通过抑制凋亡、促进自噬并通过PPARα促进脂肪酸氧化代谢来改善非酒精性脂肪性肝病[15]，或通过抑制YAP/Notch3 通路抑制肝星状细胞活化和肝纤维化[16]，达到防止肝病进一步发展、保肝护肝的作用。在抵抗某些致癌物质方面，有研究指出，在大鼠中柠檬苦素可以通过稳定脂质过氧化和抗氧化状态来对抗N-亚硝基二乙胺诱导的肝细胞癌[17]。

1.3 抗肺癌

桉脂素（Eudesmin）也是一种柠檬苦素，研究发现，其除了在体外可显著抑制肺癌LC A549 细胞，提高caspase-3、caspase-9、Bax、P53 以及P-JNK 的表达水平和降低Bcl-2 蛋白以及Akt 磷酸化水平之外，在裸鼠体内通过异源接种肿瘤细胞还可以显著抑制肿瘤的增长，这可能是通过药物作用于线粒体介导的肿瘤细胞凋亡途径来实现的[18]。此外，从苦楝皮（Meliae cortex）中提取的柠檬苦素类物质除了对肝癌细胞和胃癌细胞表现出抑制作用之外，对肺癌细胞H460 也表现出明显的抑制作用[19]。

1.4 抗乳腺癌

乳腺癌成为威胁女性健康重要的因素之一[20]。研究指出，柑橘类中的柠檬苦素可通过激活caspase-7显著抑制乳腺癌细胞MDA-MB-435和MCF-7 的增殖[21]。从印度楝类中分离的柠檬苦素Nimbolide，可以通过破坏醛糖还原酶介导的IGF-1/PI3K/Akt 信号通路抑制乳腺癌血管生成，起到抗肿瘤作用[22]。

1.5 抗其他癌症

迄今为止，已发现多种柠檬苦素类化合物具有抗癌作用。除上述对相关癌细胞和肿瘤细胞的抑制作用之外，研究人员还发现，存在于芸香科植物中的黄柏酮（Obacunone）对雄激素依赖性的前列腺癌LNCaP细胞也具有抑制作用[23]。印楝树中的柠檬苦素类物质可诱导前列腺癌细胞PC-3 的凋亡[24]。可以看出，柠檬苦素类化合物对多种癌细胞均具有抑制作用，但同一类物质对不同肿瘤的实际抑制功效以及不同柠檬苦素类化合物对同一肿瘤的作用效果，需要进行更广泛深入的调查和研究。

2 柠檬苦素类化合物的抗菌活性

柠檬苦素类化合物对多种真菌、细菌均有显著的抑制作用。

2.1 抗细菌

柠檬苦素类化合物对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均起到抑制作用，抑制效果显著。例如，葡萄柚籽提取物中的柠檬苦素类化合物对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、大肠杆菌（Escherichia Coli）和婴儿沙门氏菌（Salmonella Infantis）等革兰氏阴性菌以及葡萄球菌（Staphylococcusspp.）和肠球菌（Enterococcusspp.）等革兰氏阳性菌均有较强的生长抑制作用[25]。研究指出，柠檬苦素类化合物对苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、藤黄微球菌（Micrococcus luteus）和志贺氏杆菌（Shigellaspp.）等具有显著的抑制效用[26]。当然，柠檬苦素的抑菌效果并非完全一致，其对其他细菌的抑菌能力为枯草芽孢杆菌＞金黄色葡萄球菌＞大肠杆菌＞黑曲霉＞志贺氏菌＞沙门氏菌[27]。柠檬苦素对细菌尤其是一些致病菌的研究不限于上述内容，这足以表明其抗菌性能的广谱性及多样性。

2.2 抗真菌

柠檬苦素类化合物除了对致病细菌具有显著抑制效果之外，研究发现，其中一些物质还对真菌也具有显著的抑制作用。例如，洋椿苦素（Cedrelone），作为楝科植物的一种重要的柠檬苦素类活性物质，其对花生锈菌（Puccinia arachidis）具有显著的抑制作用，该物质功能团及A 环或者B 环的改变均会造成其抑制能力的下降，这说明其结构对功能作用的重要性[28]；从芸香科植物根皮中分离的柠檬苦素对植物病害真菌瓜枝孢（Cladosporium cucumerinum）也具有抑制效用[29]。以上实例证明了柠檬苦素类化合物能够对一些真菌起到直接的抑制作用，也有研究指出柠檬苦素类化合物能增强其他物质抗真菌效果，如丁香酚纳米乳剂对意大利青霉菌（Penicillium italicum）的抑制效果[30]。上述均证明柠檬苦素化合物的抗真菌作用，但其对真菌的抑制作用尤其是一些潜在的病害菌是否具有广泛性，则需要进一步研究。

3 柠檬苦素类化合物的抗病毒活性

柠檬苦素对多种包膜病毒表现出抗病毒活性。研究发现，柠檬苦素类化合物在人外周血单核细胞的体外培养中能够通过抑制HIV-1蛋白酶活性抑制HIV-1病毒复制[31]。从楝科植物Khaya grandifoliola中提取的柠檬苦素可以通过阻断CD81 受体靶向抑制丙型肝炎病毒（HCV）生命周期的进入和降低RNA 聚合酶NS5B 的表达来抑制复制阶段，以达到抑制HCV体外感染的效果[32]。此外，还有研究发现从葡萄柚籽中提取的柠檬苦素类物质具有一定的抗禽流感病毒（AIV）、新城疫病毒（NDA）和新冠病毒（SARS-CoV-2）活性[25]。柠檬苦素不同化合物对不同病毒的作用效果及作用机制均存在较大差异，但种类丰富的柠檬苦素家族为将来进行各类抗病毒治疗、免疫治疗以及疾病防御等提供了可行的探索实践。

4 柠檬苦素类化合物的抗寄生虫效果

很多疾病与寄生虫的发生、发展有密切关系。随着医药科技以及保健等的不断进步，研究人员不断开发新的药物去解决危害人们生命健康安全的“五大寄生虫”病及“新五大寄生虫”病，并取得显著进展。而寄生虫病对人类的危害依然比较严重，因而对相关疾病的防护和治疗是不能忽视的。研究发现，柠檬苦素类物质对疟疾的发生发展具有显著作用，如苦楝素（Gedunin）和印楝酮（Azadirone）在体外能够抑制疟原虫血液阶段的发育，印楝素A（Azadirachtin A）能够干扰疟原虫从人向蚊子宿主的传播，阻断寄生虫传播。此外，多种柠檬苦素也表现出抗布鲁氏锥虫（Rypanosoma brucei）和利什曼原虫（Leishmania major）活性，表明柠檬素类化合物具有成为研发抗锥虫病和利什曼病新药物的巨大潜力[33]。研究表明，柠檬苦素类化合物对蓝氏贾第鞭毛虫（Giardia lamblia）具有重要抑制作用[34]。柠檬苦素及其部分苯甲酰腙衍生物在体外均呈现出一定的抗细粒棘球蚴原头节的活性，且作用效果均随时间的延长而有不同程度增加[35]。在植物寄生线虫的防治研究中，从吴茱萸中分离的柠檬素可以在体外试验中对南方根结线虫（Meloidogyne incognita）起到很好的毒杀作用[36]。在农业有关害虫方面，柠檬苦素可以增加马铃薯甲虫（Leptinotarsa decemlineata）等的拒食活性。可以看出，柠檬苦素化合物无论是对低等的原生动物还是对高等的节肢动物均能起到潜在的影响作用，展现了对人类疾病预防、农作物病虫害防控等方面的应用价值。

5 柠檬苦素对其他疾病的功效

一些柠檬苦素类化合物在预防和治疗糖尿病、肥胖、保肝护肝等方面具有显著效果。研究指出，在超重和肥胖人群的饮食中添加纯化的柠檬苦素葡萄糖苷可降低肝脏谷氨酰转移酶、谷丙转氨酶、碱性磷酸酶和补体C3在循环中的浓度，进而预防许多慢性炎症性疾病，如多发性硬化症、非酒精性脂肪肝、Ⅱ型糖尿病、心血管疾病和慢性肾病等的发生发展[37]。一些动物模型也证明，L-柠檬烯能够通过抑制高脂肪饮食中糖尿病大鼠的氧化应激/炎症反应来减少主动脉粥样硬化。研究证明，柠檬苦素能够通过保护神经细胞，预防因衰老而产生的机体氧化损伤，来改善神经退行性病变及认知功能的下降[38]。由此可以看出，柠檬苦素类化合物对一些潜在的慢性疾病也存在较大的临床应用及保健预防价值。

6 柠檬苦素的毒性

柠檬苦素类化合物应用广泛，在诸多方面均有价值。但是能否作为食品添加剂、食物保健品或应用于临床治疗还需要进一步探讨，并且要考虑其合理安全的用药剂量。研究指出，柠檬苦素有一定的肾毒性，且具有剂量依赖性，体外试验时最低50 μg/mL 便可抑制人胚胎肾细胞（HEK-293 细胞）的活力，继续提高浓度则会引起肾细胞的收缩甚至死亡[39]。一项针对柠檬苦素对仓鼠肺细胞（CHL 细胞）的研究指出，柠檬苦素可造成肺细胞产生染色体桥接、染色体交换、双心染色体、环状染色体等多种染色体畸变[35]，由此说明柠檬苦素具有潜在的致突变性。此外，柠檬苦素具有一定的肝毒性，并可能会导致线粒体肿胀。因此，未来在应用时需要进一步审慎地予以评估。

7 结语

越来越多的柠檬苦素化合物及其潜在的生物学作用逐渐被发现和证实，也进一步验证了这类物质的应用广泛性、多样性和有效性，因而越来越受到天然物质及活性分析、药物化学和医药保健等领域的关注。该化合物本身存在作用机制不精确、水溶性有限、口服生物利用度差及毒性不明确等问题，限制了其在实际中的进一步应用。因而，未来通过分子细胞生物学对其作用机制进行深入研究，将会从细胞调节机制、生理学机制等方面发现其作用的有效性和潜在危害；也可进一步通过结构化学研究，在保留其活性的同时，对柠檬苦素类化合物进行修饰，以减少其毒性，也有利于在使用时对其进行剂量、用药次数和副作用等方面的风险评估。柠檬苦素类化合物多样的生理学活性及在调节人类健康方面具有潜在的应用价值，期待更多研究者发现新的柠檬苦素类化合物或合理设计新的柠檬苦素衍生物，并将其应用于试验研究，这对未来新药的开发具有重要意义。